基于Linux和RTAI的实时操作系统的研究与改进

摘要

在当今世界，有很多与时间因素相关的应用需求，其计算的正确性不仅仅取决于处理逻辑的正确与否，还取决于结果产生的时间，这种类型的任务被人们定义为实时任务。实时系统在这种需求下应运而生。目前，实时系统已经被广泛应用于军事和民用领域。实时操作系统是其中的核心，随着硬件性能的不断提高，实时应用不仅对操作系统的性能，而且对其他功能也提出了较高的要求，例如图形界面、网络通讯等要求。现在的商业化的实时操作系统种类繁多，但其缺点不是功能过于简单就是价格过于昂贵。在实时操作系统领域，缺少一个标准的、开放的、有广泛支持的、高效又廉价的实时操作系统，因此，很多机构开始进行通用操作系统的实时化的研究。
　　 Linux操作系统因其具有开放源代码、广泛的硬件支持、稳定高效的内核、优秀齐备的开发工具链等等优点，使得它在实时化领域倍受关注。但是Linux是一个分时的通用操作系统，在任务调度方面采用的是公平原则，这样就限制了Linux的实时化应用，必须对其进行改进，以满足实时的要求。
　　 本论文的主要研究内容和工作如下：
　　 ①研究了Linux2.6内核的任务调度相关的内核结构，调度原理，分析了重要的调度函数，分析了Linux操作系统在实时应用上的优势和局限性；
　　 ②研究了RTAI的系统结构，调度原理，分析了RTAI所采用的调度算法RM和EDF，在分析的基础上指出了EDF算法的缺陷和RTAI任务组织的不足；
　　 ③提出了将LLF调度算法和O(1)调度算法引入RTAI，并在分析的基础上给出了相应的实现形式，并构建了一套实时的Linux操作系统；
　　 ④在分析了实时操作系统的测试标准的基础上，对改进后的RTAI进行了功能测试和性能测试，并对结果进行了分析。
　　 综上所述，本文针对RTAI实时调度的EDF调度算法和任务的组织形式的缺陷，进行了改进并给出了相应的实现方式，成功解决了调度器在高负载情况下大量任务得不到处理的情况。最后构造了一个基于Linux和RTAI的实时操作系统。经过理论分析和实验结果证明：相关改进是正确、有效的，扩展后的RTAI能够依照所设定的调度算法对实时任务进行正确调度，RTAI的实时性能也得到了提升。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1调度的改进

1.2.2时钟的改进

1.2.3增加内核抢占点

1.2.4软件中断模拟

1.2.5双内核机制

1.3论文的组织结构

2 实时操作系统概述

2.1实时操作系统的定义

2.2实时操作系统的基本特征

2.3实时操作系统的分类

2.4基于Linux的实时操作系统现状

2.4.1 RT-Linux和RTAI

2.4.2 Kurt-Linux

2.4.3 RED-Linux

2.4.4 Qlinux

2.4.5 SILK

2.5本章小结

3 Linux实时性分析

3.1 Linux的调度机制的分析

3.1.1 Linux进程模型

3.1.2 Linux2.6内核的runqueue结构

3.1.3 Linux进程调度原理

3.1.4进程调度策略

3.2重要进程调度函数分析

3.2.1 goodness()函数分析

3.2.2 O(1)调度函数分析

3.3 Linux的实时性能分析

3.4本章小结

4 实时Linux操作系统的实现以及优化

4.1 RTAI简介

4.2 RTAI的调度器的分析

4.2.1 RTAI的任务组织形式

4.2.2 RTAI的中断处理函数分析

4.2.3 RTAI的调度算法分析

4.3 RTALl的LLF调度的设计与实现

4.3.1 LLF算法简介

4.3.2系统框架图

4.3.3对RTAI数据结构的扩展

4.3.4对RTAI任务队列的改进

4.3.5对RTAI任务调度的改进

4.3.6对RTAI的用户接口函数的改进

4.4 RTAI的0(1)调度算法的引进

4.5本章小结

5 实时Linux系统的实时性能测试

5.1环境搭建

5.1.1系统准备

5.1.2内核打补丁以及配置

5.1.3内核编译

5.1.4内核安装

5.1.5 RTAI的配置和安装

5.2测试标准及原理

5.3测试结果

5.3.1 RTAI程序编写规范

5.3.2调度功能测试

5.3.3性能测试

5.4本章小结

6 论文总结及展望

6.1总结

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录